方便食品可食性調(diào)料包裝性能研究

謝彩玲，梅小虎，郭艷峰

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436；2.廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510663）

方便食品是指需簡(jiǎn)單處理即可食用的產(chǎn)品，隨著食品加工技術(shù)的深入，方便食品的種類(lèi)也越來(lái)越多。我國(guó)是方便食品消費(fèi)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)方便食品消費(fèi)占比已達(dá)全球市場(chǎng)的38.85%[1]，2020年，各種方便食品銷(xiāo)量持續(xù)增加，單方便面一種方便食品，銷(xiāo)售額同比增長(zhǎng)11.5%[2]。方便食品消費(fèi)量持續(xù)升高的同時(shí)，方便食品的包裝消耗量也不斷增加。方便食品一般有3個(gè)以上調(diào)料包，通常采用塑料薄膜包裝。塑料醬包雖小，但使用量大，同時(shí)塑料醬包在拆包時(shí)容易黏手，既不方便衛(wèi)生也不環(huán)保，是塑料污染的重要因素之一。塑料包裝降解一直是困擾環(huán)境治理的難題，因此開(kāi)發(fā)免撕可食調(diào)料包裝袋，不僅可以改良當(dāng)前塑料醬包拆包易黏手的問(wèn)題，還可以減少塑料污染，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

生物高分子膜材料的研究是當(dāng)下熱點(diǎn)，具有綠色環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)，淀粉是制膜常用多糖類(lèi)材料，但僅用淀粉制膜往往力學(xué)強(qiáng)度不夠，容易破損。大豆發(fā)酵后的醬油渣含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3-7]，尤其是膳食纖維含量很高。將醬油渣與淀粉共混制膜，加入甘油，采用流涎法,可得到具有一定力學(xué)強(qiáng)度的可食膜材料。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)制備膜的氧氣阻隔性、水蒸氣透過(guò)性、溶解性、熱封性、阻油性、阻氧性等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，為進(jìn)一步在方便食品調(diào)料包中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

醬油渣（佛山海天調(diào)味食品公司）；食用玉米淀粉（廣州福正東海食品公司）；丙三醇（分析純，天津富宇精細(xì)化工有限公司）；α-淀粉酶（美國(guó)Sigma公司）；蛋白酶（上海源聚生物科技有限公司）；葡萄糖苷酶（美國(guó)Sigma公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9055A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒有限公司；WH-A150型多功能粉碎機(jī)，南京好又多電器有限公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州澳華有限公司；高速數(shù)顯攪拌機(jī)，廈門(mén)博士達(dá)有限公司；CHY-C1型測(cè)厚儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電有限公司；MED-01型包裝性能測(cè)試儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電有限公司；BMT-60A型透濕杯，承德科承試驗(yàn)機(jī)有限公司；CP114分析天平，美國(guó)奧豪斯公司；NOVA NANO SEM 450型掃描電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司；GBB-A型熱封儀，廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 醬油渣預(yù)處理與可食膜制備

對(duì)醬油渣進(jìn)行預(yù)處理，脫除油脂和鹽后干燥，再用打粉機(jī)粉碎過(guò)200目篩備用。根據(jù)梅小虎等[8]的實(shí)驗(yàn)方法，按照配方100 mL蒸餾水中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.5%、醬油渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)27%、76 ℃干燥制膜，于干燥皿中平衡待測(cè)。

1.3.2 熱封工藝試驗(yàn)

（1）可食膜熱封工藝單因素試驗(yàn)。將可食膜裁剪成10.0 cm×10.0 cm，熱封初始條件為時(shí)間4 s、壓力0.4 MPa、溫度160 ℃，分別對(duì)溫度（120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃和200 ℃）、時(shí)間（3 s、4 s、5 s、6 s和7 s）、壓力（0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和 0.6 MPa）設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)以封合強(qiáng)度為指標(biāo)，每個(gè)因素平行5次。

（2）可食膜熱封工藝正交試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，見(jiàn)表1，每組實(shí)驗(yàn)平行5次。

（3）驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)所得熱封最佳工藝封合可食膜，驗(yàn)證封合強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.3 性能檢測(cè)指標(biāo)

（1）溶解性。將醬油渣可食膜裁為10.0 cm×10.0 cm，置于100 ℃熱水中測(cè)試溶解度。

（2）內(nèi)容物流出時(shí)間。將醬油渣可食膜裁為10.0 cm×10.0 cm，封合為包裝袋，內(nèi)裝10.00 mL粉狀食品，將油包放置于100 ℃熱水中，測(cè)試包裝物從包裝釋放時(shí)間。

（3）阻油性。將醬油渣可食膜裁為10.0 cm×10.0 cm，封合為包裝袋，內(nèi)裝10.00 mL食用植物油，稱(chēng)量記錄質(zhì)量。將油包下墊濾紙置于RH 50%的干燥器中，分別在1 d、3 d、5 d、7 d、9 d、12 d、15 d后稱(chēng)量油包質(zhì)量。

（4）水蒸氣透過(guò)性。根據(jù)GB 1037—1988[9]方法，將干燥劑無(wú)水氯化鈣放置于30 mm×50 mm的稱(chēng)量瓶中，膜試樣用密封蠟封口后稱(chēng)重，將稱(chēng)量瓶放于底部裝有去離子水的玻璃干燥器中平衡12 h取出稱(chēng)量，再放回干燥器中，之后每間隔2 h稱(chēng)量1次，共稱(chēng)量5次。

（5）阻氧性。采用GB/T 5009.227—2016食品中過(guò)氧化值的測(cè)定[10]，通過(guò)測(cè)定包裝內(nèi)食用植物油過(guò)氧化值來(lái)表征膜的阻氧性能。醬油渣可食膜內(nèi)裝食用植物油后熱封，25℃ 50% RH環(huán)境下保存7 d后取出袋內(nèi)油脂，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。

以上每組實(shí)驗(yàn)平行5次。

1.3.4 性能測(cè)試

（1）醬油渣可食包裝膜的力學(xué)性能測(cè)定。以國(guó)標(biāo)GB/T 1040.3—2006[11]規(guī)定方法測(cè)試膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。將試樣裁成長(zhǎng)150 mm、寬12 mm的條狀，于包裝性能測(cè)試儀上測(cè)量，夾具間初始距離90 mm，試驗(yàn)速度100 mm/min。計(jì)算公式為：

式中：σ為抗拉強(qiáng)度，單位為MPa；F為膜所受拉力，單位為N；S為膜的橫截面積，單位為m2；E為斷裂伸長(zhǎng)率；L0為夾具上固定的試樣長(zhǎng)度，單位為m；L為膜斷裂時(shí)長(zhǎng)度，單位為m。

（2）醬油渣可食包裝膜的掃描電鏡分析。將待測(cè)樣品于平臺(tái)固定，表面噴金，掃描電鏡放大300倍，觀察膜表面結(jié)構(gòu)。樣品測(cè)試前在RH 53%干燥皿中平衡48 h。

（3）醬油渣可食包裝膜的水蒸氣透過(guò)性能測(cè)定。水蒸氣透過(guò)性以水蒸氣透過(guò)系數(shù)表示，公式為：

式中：WVP為水蒸氣透過(guò)系數(shù)，單位為g·mm/（m2·h·kPa）；Δm為樣品質(zhì)量穩(wěn)定后增量；d為樣品厚度，單位為mm；A為封口面積，單位為m2；Δt為測(cè)試時(shí)間間隔，單位為h；ΔP為樣品兩邊水蒸氣壓力差，單位為kPa。

（4）醬油渣可食包裝膜的溶解性能測(cè)定。將10 cm×10 cm的可食膜包裝袋于105 ℃干燥至恒重，稱(chēng)量記錄，溶于200 mL去離子水中，水溫90 ℃溶解1 h后過(guò)濾干燥至恒重，稱(chēng)量記錄計(jì)算樣品溶解度。公式為：

式中：m1為樣品溶解前質(zhì)量，單位為g；m2為樣品溶解后質(zhì)量，單位為g。

（5）醬油渣可食包裝膜的封合強(qiáng)度測(cè)定。將封口處理后的醬油渣可食包裝袋裁剪，以封口處為中心，使試樣條展開(kāi)長(zhǎng)為100 mm、寬為15 mm。試樣條固定在包裝性能測(cè)試儀夾具上，間距60 mm，夾具移動(dòng)速度300 mm/min，直至試樣條被拉斷，此時(shí)記錄的最大拉力（N/15 mm）即為醬油渣可食包裝膜的封合強(qiáng)度。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin軟件作圖，SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 醬油渣可食包裝膜力學(xué)性能

根據(jù)制膜工藝得到醬油渣可食包裝膜，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 醬油渣可食包裝膜力學(xué)性能表

2.2 掃描電鏡分析

醬油渣可食包裝膜掃描電鏡結(jié)果如圖1所示。圖1a是醬油渣可食包裝膜的樣品，醬油渣可食包裝膜呈棕黃色且表面有小顆粒觸感；圖1b是掃描電鏡300倍下的膜表面，可見(jiàn)分散不均勻物質(zhì)，造成膜表面不平整，其余部分膜更加平整致密，表現(xiàn)出力學(xué)強(qiáng)度大于一般純淀粉膜[12]。由于纖維素與淀粉分子存在相同的結(jié)構(gòu)單元，相互間可以通過(guò)氫鍵作用連接，同時(shí)纖維素也能改變淀粉分子內(nèi)部的氫鍵作用強(qiáng)度，但由于粉碎過(guò)篩后的醬油渣纖維不能完全溶解，因此影響淀粉分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，溶解部分醬油渣纖維加強(qiáng)了與淀粉分子間連接，導(dǎo)致包裝膜在水蒸氣阻隔和氧氣阻隔性能表現(xiàn)不佳。

圖1 醬油渣可食包裝膜與掃描電鏡圖

2.3 熱封工藝單因素試驗(yàn)分析

2.3.1 熱封溫度對(duì)封合強(qiáng)度的影響

熱封溫度對(duì)包裝膜封合強(qiáng)度的影響如圖2所示，在封合時(shí)間4 s，封合壓強(qiáng)0.4 MPa下，隨溫度升高，封口處強(qiáng)度先增大后減小，在160 ℃條件達(dá)到最大值（1.98±0.12）N/15 mm，溫度超過(guò)180 ℃封口處被燒焦斷根，無(wú)法測(cè)定封合強(qiáng)度。醬油渣可食包裝膜以淀粉為成膜基材，由于淀粉不具有熱塑性，兩界面不能像傳統(tǒng)塑料通過(guò)熔融-融結(jié)過(guò)程封合[12]，可食膜的封合是依靠在高溫條件下，水分轉(zhuǎn)移至封合界面中間的縫隙，封口處淀粉吸水產(chǎn)生黏性，外加壓力使可食膜的兩面黏合，待溫度降低，封口凝固產(chǎn)生一定的封合強(qiáng)度?？梢?jiàn)，適宜的溫度是封口處粘合的關(guān)鍵，溫度太低，水分不足以充分轉(zhuǎn)移到封合界面，溫度太高，水分來(lái)不及轉(zhuǎn)移就被蒸發(fā)，導(dǎo)致封合處燒焦斷裂。因此選擇160 ℃作為包裝膜熱封溫度。

圖2 不同熱封溫度對(duì)包裝膜封合強(qiáng)度的影響

2.3.2 熱封時(shí)間對(duì)封合強(qiáng)度的影響

熱封時(shí)間對(duì)包裝膜封合強(qiáng)度的影響如圖3所示，封合溫度160 ℃，壓強(qiáng)0.4 MPa條件下，隨封合時(shí)間的延長(zhǎng)，封口處強(qiáng)度先增大后減小，封合5 s時(shí)強(qiáng)度最大，為（2.11±0.14）N/15 mm。膜中的水分及時(shí)轉(zhuǎn)移至封合界面是封合的關(guān)鍵，時(shí)間過(guò)短時(shí)，水分轉(zhuǎn)移不充分封合界面黏度不夠；隨時(shí)間延長(zhǎng)，足夠的水分使膜兩面產(chǎn)生足夠黏度，施加外力后冷卻凝固，封口強(qiáng)度更高；但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，封口處的水分不斷蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡和皺褶，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此熱封時(shí)間選擇5 s。

圖3 不同熱封時(shí)間對(duì)包裝膜封合強(qiáng)度的影響

2.3.3 熱封壓力對(duì)封合強(qiáng)度的影響

在封合溫度160 ℃，封合5 s條件下，不同壓強(qiáng)下膜的封合強(qiáng)度如圖4所示。隨著封合時(shí)壓強(qiáng)增大，封口處強(qiáng)度不斷增大，在0.6 MPa時(shí)達(dá)到最大3.20 N/15 mm，0.7 MPa時(shí)壓強(qiáng)過(guò)大，封口處破裂。外加壓力是膜封合的另一關(guān)鍵因素，膜中水分在高溫下轉(zhuǎn)移至封合界面產(chǎn)生粘性，若不加外力，兩面膜暫時(shí)被粘在一起并不牢固，隨著壓力增大，兩面膜充分接觸，冷卻后封合強(qiáng)度逐漸增大，過(guò)高的壓強(qiáng)使封口受到機(jī)械作用過(guò)大而破裂。因此，選擇0.6 MPa作為封合壓強(qiáng)。

圖4 不同熱封壓強(qiáng)對(duì)包裝膜封合強(qiáng)度的影響

2.4 熱封工藝正交試驗(yàn)分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇封合時(shí)的溫度、時(shí)間、壓強(qiáng)為因素A、B、C，以封合強(qiáng)度為指標(biāo)，進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)得到醬油渣可食膜的最佳熱封工藝條件，結(jié)果和分析見(jiàn)表3。

表3 醬油渣可食膜熱封工藝正交試驗(yàn)及結(jié)果

分析表3中極差R值大小可知，影響可食膜封合強(qiáng)度的3個(gè)因素中主次順序?yàn)闇囟龋緯r(shí)間＞壓強(qiáng)；比較k值大小確定影響熱封強(qiáng)度的因素最優(yōu)組合為A2B2C3，即溫度160 ℃、時(shí)間5 s、壓強(qiáng)0.6 MPa，經(jīng)方差分析可知熱封溫度和時(shí)間對(duì)可食膜的封合強(qiáng)度有顯著性影響（P＜0.05）。綜合直觀分析和方差分析結(jié)果，選擇熱封溫度160 ℃、時(shí)間5 s、壓強(qiáng)0.6 MPa為最佳熱封條件。

根據(jù)試驗(yàn)得到最佳熱封工藝做驗(yàn)證試驗(yàn)，得到可食膜的封合強(qiáng)度分別為3.10 N/15 mm、2.78 N/15 mm、3.44 N/15 mm，平均值3.11 N/15 mm，包裝膜順利封合，且封合處平整牢固。

2.5 溶解性與內(nèi)容物溶出時(shí)間分析

表4是醬油渣可食膜在沸水中溶解情況。可以發(fā)現(xiàn)，膜在沸水中吸水溶脹，施加外力即可輕易戳破，而隨時(shí)間延長(zhǎng)，可食膜在水中的自然溶解度不斷增加，2.5 min后達(dá)到32.38%，剩余物質(zhì)可以食用也可用餐具撈出。將裝有內(nèi)容物的包裝袋置于沸水中，1.5 min后內(nèi)容物即可自然溶出。

表4 醬油渣可食膜在沸水中的溶解度

2.6 水蒸氣透過(guò)性分析

可食膜材料的水蒸氣透過(guò)系數(shù)與包裝內(nèi)油脂的過(guò)氧化值如圖5所示。由圖可知，醬油渣可食膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)為（1.087±0.078）g·mm/（m2·h·kPa），水蒸氣透過(guò)性是評(píng)價(jià)膜材料阻隔性能的重要指標(biāo)，WVP值越大表示膜的水蒸氣阻隔性能越差，醬油渣可食包裝膜中存在未充分溶解的醬油渣纖維，影響淀粉分子間相互作用，導(dǎo)致阻隔性能變差。對(duì)貨架期較短的方便食品，膜的阻隔性基本滿(mǎn)足要求。對(duì)長(zhǎng)貨架期方便食品，這一問(wèn)題可通過(guò)將所有調(diào)料包密封在高阻隔性復(fù)合材料包裝袋內(nèi)來(lái)解決，食用時(shí)只需要撕開(kāi)一個(gè)調(diào)料外包裝即可，減少了塑料材料的用量，同時(shí)也更加方便衛(wèi)生。

圖5 可食膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)與包裝油脂過(guò)氧化值

2.7 阻油性分析

醬油渣可食膜內(nèi)裝食用植物油封合后的質(zhì)量損失如圖6所示。由圖可知，包裝膜封裝食用油15 d后質(zhì)量損失（16.8±0.60）mg，損失率為0.19%，外表無(wú)油滲出，包裝完好。淀粉與醬油渣纖維的多羥基在成膜過(guò)程中通過(guò)氫鍵作用發(fā)生重排，由于羥基是極性基團(tuán)，膜結(jié)構(gòu)具有較好的阻油性。

圖6 可食膜內(nèi)裝食用油及油包質(zhì)量損失

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了淀粉基醬油渣可食膜的包裝性能。研究表明，在160 ℃、5 s、0.6 MPa條件下，封合強(qiáng)度最大可達(dá)3.11 N/15 mm，封口平整牢固。醬油渣可食膜在沸水中2.5 min，自然溶解率32.38%，內(nèi)裝食品1.5 min可自然溶出，剩余包裝材料食用無(wú)異感，亦可用餐具撈出丟棄；內(nèi)裝食用植物油封合15 d質(zhì)量損失率為0.19%，外表無(wú)油脂滲出，封口完好，可用于油性醬料包裝。可食膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)為（1.087±0.078）g·mm（/m2·h·kPa），水蒸氣阻隔性能較差，只適合作為短期方便食品使用，若需用于長(zhǎng)貨架期食品調(diào)料包裝，則可通過(guò)將所有調(diào)料包放入高阻隔包裝袋來(lái)解決。

該包裝膜具有方便、衛(wèi)生、減少塑料膜用量等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。但包裝膜氣體和水蒸氣阻隔性能、力學(xué)性能與封口強(qiáng)度都還有待提高，需要通過(guò)進(jìn)一步的配方改進(jìn)與工藝優(yōu)化來(lái)解決與完善。